JP7083869B2 - Image processing method and image processing equipment - Google Patents

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Description

本発明は、画像処理方法および画像処理装置に関する。 The present invention relates to an image processing method and an image processing apparatus.

電子線ホログラフィーや、微分位相コントラストイメージング（ＤＰＣ）法などの手法では、試料によって入射電子線が受ける位相変化を画像化することができる。しかしながら、電子線ホログラフィーや、ＤＰＣ法では、この位相変化が試料中の原子核等に起因する電場によるものか、電子スピン等に起因する磁場によるものか、判断することは難しい。 Techniques such as electron holography and differential phase contrast imaging (DPC) can image the phase changes that an incident electron beam receives depending on the sample. However, in electron holography and the DPC method, it is difficult to determine whether this phase change is due to an electric field caused by an atomic nucleus or the like in a sample or a magnetic field caused by an electron spin or the like.

特に、高分解能像の場合、常に原子核による電場が強く見えるため、原子核による電場に比べて弱い電子スピンによる磁場を観察するためには、電場と磁場を分離する必要がある。 In particular, in the case of a high-resolution image, the electric field due to the atomic nucleus always looks strong, so in order to observe the magnetic field due to electron spin, which is weaker than the electric field due to the atomic nucleus, it is necessary to separate the electric field and the magnetic field.

例えば、特許文献１では、試料を反転させる機構を備え、反転の前後における試料中の同一測定部位を透過した電子線の偏向の方位と量を計測して、測定部位における電場の分布と磁場の分布をそれぞれ個別に求められるようにした電磁場測定装置が開示されている。この電磁場測定装置では、試料に対する電子線の入射方向を逆転すると、電子線が電磁場から受けるローレンツ力のうち、電場による力の方向は変化しないが、磁場による力の方向は逆転することを利用している。 For example, Patent Document 1 includes a mechanism for reversing a sample, measures the direction and amount of deflection of an electron beam transmitted through the same measurement site in the sample before and after inversion, and measures the distribution of the electric field and the magnetic field at the measurement site. An electromagnetic field measuring device is disclosed in which the distribution can be obtained individually. In this electromagnetic field measuring device, when the incident direction of the electron beam with respect to the sample is reversed, the direction of the force due to the electric field does not change among the Lorentz forces that the electron beam receives from the electromagnetic field, but the direction of the force due to the magnetic field is reversed. ing.

特開平６－１３８１９６号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-138196

特許文献１の電磁場測定装置では、上述したように、試料の反転の前後において、試料中の同一部位を測定しなければならない。しかしながら、原子レベルの高分解能の測定では、試料の反転の前後において、試料中の同一部位を測定することは困難である。 In the electromagnetic field measuring device of Patent Document 1, as described above, the same part in the sample must be measured before and after the inversion of the sample. However, in high-resolution measurement at the atomic level, it is difficult to measure the same part in the sample before and after the inversion of the sample.

本発明に係る画像処理方法の一態様は、
複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する工程と、
前記位相像において、前記複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する工程と、
分離された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する工程と、
を含み、
前記複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、
前記複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する工程を含む。 One aspect of the image processing method according to the present invention is
The process of acquiring a phase image that visualizes the electromagnetic field of each of multiple columns, and
In the phase image, a step of separating the electromagnetic field of each of the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component, and
The process of generating an image showing the distribution of the magnetic field based on the separated magnetic field components,
Including
The step of separating the electromagnetic field of each of the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component is
The step of separating the electromagnetic field of the first column among the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component based on the electromagnetic field of the second column in which the electric field is in the same direction is included.

このような画像処理方法では、画像処理によって、位相像中のカラムの電磁場を磁場成分と電場成分を分離することができる。したがって、このような画像処理方法では、原子レベルの高分解能で、磁場の分布を示す画像を得ることができる。 In such an image processing method, the magnetic field component and the electric field component can be separated from the electromagnetic field of the column in the phase image by the image processing. Therefore, with such an image processing method, it is possible to obtain an image showing the distribution of the magnetic field with high resolution at the atomic level.

本発明に係る画像処理装置の一態様は、
複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する位相像取得部と、
前記位相像において、前記複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する分離処理部と、
分離された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する画像生成部と、
を含み、
前記画像生成部は、
前記複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する処理を行う。 One aspect of the image processing apparatus according to the present invention is
A phase image acquisition unit that acquires a phase image that visualizes the electromagnetic fields of each of multiple columns,
In the phase image, a separation processing unit that separates the electromagnetic field of each of the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component,
An image generator that generates an image showing the distribution of the magnetic field based on the separated magnetic field components.
Including
The image generation unit
A process of separating the electromagnetic field of the first column among the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component is performed based on the electromagnetic field of the second column in which the electric field is in the same direction.

このような画像処理装置では、画像処理によって、位相像中のカラムの電磁場を磁場成分と電場成分を分離することができる。したがって、このような画像処理装置では、原子レベルの高分解能で、磁場の分布を示す画像を得ることができる。 In such an image processing apparatus, the magnetic field component and the electric field component can be separated from the electromagnetic field of the column in the phase image by image processing. Therefore, in such an image processing device, it is possible to obtain an image showing the distribution of the magnetic field with high resolution at the atomic level.

実施形態に係る画像処理方法の一例を示すフローチャート。The flowchart which shows an example of the image processing method which concerns on embodiment. 位相像Ｄｘ，Ｄｙと、環状暗視野像ＩＡＤＦを模式的に示す図。The figure which shows the phase image Dx, Dy and the annular dark field image I ADF schematically. 位相像Ｄｘ，Ｄｙの磁場によるコントラストのみを示す図。The figure which shows only the contrast by the magnetic field of a phase image Dx, Dy. カーネルＫ１とカーネルＫ２を説明するための図。The figure for demonstrating kernel K1 and kernel K2. 位相像Ｄｘに対してコンボリューションを行った結果を示す図。The figure which shows the result of having performed the convolution with respect to the phase image Dx. カーネルＫ３を説明するための図。The figure for demonstrating kernel K3. カーネルＫ４を説明するための図。The figure for demonstrating kernel K4. 走査透過電子顕微鏡の構成を示す図。The figure which shows the structure of the scanning transmission electron microscope. 分割型検出器の検出面を模式的に示す図。The figure which shows typically the detection surface of the split type detector. ドメイン境界部の位相像の磁場によるコントラストのみを示す図。The figure which shows only the contrast by the magnetic field of the phase image of the domain boundary part. 画像ＣｘにカーネルＫ２を適用した画像ＣｘＫ２、および画像ＣｙにカーネルＫ２を適用した画像ＣｙＫ２を示す図。The figure which shows the image Cx K2 which applied the kernel K2 to the image Cx, and the image Cy K2 which applied the kernel K2 to the image Cy. カーネルＫ５を説明するための図。The figure for demonstrating kernel K5. 画像ＣｘにカーネルＫ５を適用した画像ＣｘＫ５、および画像ＣｙにカーネルＫ５を適用した画像ＣｙＫ５を示す図。The figure which shows the image Cx K5 which applied the kernel K5 to the image Cx, and the image Cy K5 which applied the kernel K5 to the image Cy. 画像ＣｘにカーネルＫ１を適用した画像ＣｘＫ１、および画像ＣｙにカーネルＫ１を適用した画像ＣｙＫ１を示す図。The figure which shows the image Cx K1 which applied the kernel K1 to the image Cx, and the image Cy K1 which applied the kernel K1 to the image Cy. らせん磁性体の位相像の磁場によるコントラストのみを示す図。The figure which shows only the contrast by the magnetic field of the phase image of a spiral magnetic material. 画像ＣｘにカーネルＫ２を適用した画像ＣｘＫ２、および画像ＣｙにカーネルＫ２を適用した画像ＣｙＫ２を示す図。The figure which shows the image Cx K2 which applied the kernel K2 to the image Cx, and the image Cy K2 which applied the kernel K2 to the image Cy.

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unreasonably limit the contents of the present invention described in the claims. Moreover, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.

１． 画像処理方法
まず、本発明の一実施形態に係る画像処理方法について図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る画像処理方法は、複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する工程と、位相像において複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程と、分離された磁場成分に基づいて磁場の分布を示す画像を生成する工程と、を含む。また、複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する工程を含む。 1. 1. Image processing method First, an image processing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The image processing method according to the present embodiment includes a step of acquiring a phase image that visualizes each electromagnetic field of a plurality of columns, and a step of separating each electromagnetic field of the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component in the phase image. It comprises the step of generating an image showing the distribution of the magnetic field based on the separated magnetic field components. Further, in the step of separating the electromagnetic field of each of the plurality of columns into the magnetic field component and the electric field component, the electromagnetic field of the first column of the plurality of columns is based on the electromagnetic field of the second column in which the electric field is in the same direction. It includes a step of separating into a component and an electric field component.

１．１． 画像処理の流れ
図１は、本実施形態に係る画像処理方法の一例を示すフローチャートである。 1.1. Flow of Image Processing FIG. 1 is a flowchart showing an example of an image processing method according to the present embodiment.

（１）位相像の取得（Ｓ１０）
まず、解析したい視野の位相像を取得する。ここで、位相像とは、試料中の電磁場によって電子線が受ける位相変化を可視化した像である。位相像は、電子線ホログラフィーにより得られた像、および微分位相コントラストイメージング（ＤＰＣ）法により得られた像を含む。 (1) Acquisition of phase image (S10)
First, the phase image of the field of view to be analyzed is acquired. Here, the phase image is an image that visualizes the phase change that the electron beam receives due to the electromagnetic field in the sample. The phase image includes an image obtained by electron holography and an image obtained by a differential phase contrast imaging (DPC) method.

電子線ホログラフィーとは、電子波の干渉性を利用し、試料によって電子波が受ける位相変化を再生する手法である。具体的には、まず、試料を透過して位相変化を受けた波(物体波)と電子源から真空を通過し試料の影響を受けない波(参照波)を、電子線バイプリズムで偏向させ、干渉させて縞(ホログラム)を得る。次に、得られたホログラムをフーリエ変換し、バックグラウンドを作る等間隔の主干渉成分をマスクして取り除き、試料を透過した回折波の変調成分(サイドバンド)を抽出して逆フーリエ変換を行うことにより、試料下面での位相を再生する。これにより、位相像を得ることができる。 Electron holography is a method of reproducing the phase change received by an electron wave depending on the sample by utilizing the coherence of the electron wave. Specifically, first, a wave that has passed through the sample and undergoes a phase change (object wave) and a wave that has passed through a vacuum from an electron source and is not affected by the sample (reference wave) are deflected by an electron beam biprism. , Interfere to obtain stripes (holograms). Next, the obtained hologram is Fourier-transformed, the main interference components at equal intervals that create the background are masked and removed, and the modulation component (sideband) of the diffracted wave that has passed through the sample is extracted and the inverse Fourier transform is performed. This reproduces the phase on the underside of the sample. Thereby, a phase image can be obtained.

ＤＰＣ法は、試料中の電磁場による電子線の偏向を各スキャン点で計測し、電磁場を可視化、画像化する走査透過電子顕微鏡法の一種である。試料の電磁場による電子線の偏向を計測するためには、例えば、分割型検出器やピクセル型検出器が用いられる。分割型検出器では、検出器同士の信号量の差分を取ることにより、試料内での電子線の偏向量（検出器上でのビームの移動量）とその方向を検出することができる。 The DPC method is a kind of scanning transmission electron microscopy that measures the deflection of an electron beam due to an electromagnetic field in a sample at each scan point and visualizes and images the electromagnetic field. In order to measure the deflection of the electron beam due to the electromagnetic field of the sample, for example, a split type detector or a pixel type detector is used. In the split type detector, the amount of deflection of the electron beam in the sample (the amount of movement of the beam on the detector) and its direction can be detected by taking the difference between the signal amounts of the detectors.

なお、位相像は、電子線ホログラフィーや、ＤＰＣ法で取得された位相像に限定されず、試料中の電磁場によって電子線が受ける位相変化を可視化した像であればよい。例えば、位相像として、タイコグラフィーを取得してもよい。 The phase image is not limited to the phase image acquired by electron holography or the DPC method, and may be an image that visualizes the phase change received by the electron beam due to the electromagnetic field in the sample. For example, tycography may be acquired as a phase image.

図２は、ＤＰＣ法により取得された電子線の位相像（微分位相像）Ｄｘ，Ｄｙと、位相像と同時に取得された環状暗視野（annular dark field、ＡＤＦ）像ＩＡＤＦを模式的に示す図である。図２の位相像ＤｘはＸ方向の偏向量を示し、図２の位相像ＤｙはＹ方向の偏向量を示している。位相像Ｄｘおよび位相像Ｄｙでは、正の値を白で表し、負の値を黒で表している。ＡＤＦ像ＩＡＤＦは、走査透過電子顕微鏡において、円環状の検出器を用いて試料で散乱された電子を検出することで取得できる。 FIG. 2 schematically shows a phase image (differential phase image) Dx, Dy of an electron beam acquired by the DPC method and an annular dark field (ADF) image I ADF acquired at the same time as the phase image. It is a figure. The phase image Dx in FIG. 2 shows the amount of deflection in the X direction, and the phase image Dy in FIG. 2 shows the amount of deflection in the Y direction. In the phase image Dx and the phase image Dy, the positive value is represented by white and the negative value is represented by black. ADF image I ADF can be obtained by detecting electrons scattered in a sample using an annular detector in a scanning transmission electron microscope.

図２に示す各像（位相像Ｄｘ，ＤｙおよびＡＤＦ像ＩＡＤＦ）は、反強磁性体を原子レベルの高分解能で観察したものである。反強磁性体では、隣り合う原子のスピンが互いに反対方向を向いて互いに打ち消し合っている。また、反強磁性体では、各原子の原子核に起因する電場は、ほぼ同じ強度で、向きが同じである。 Each image (phase image Dx, Dy and ADF image I ADF ) shown in FIG. 2 is an observation of an antiferromagnetic material with high resolution at the atomic level. In an antiferromagnetic material, the spins of adjacent atoms face each other in opposite directions and cancel each other out. Further, in an antiferromagnetic material, the electric field caused by the nucleus of each atom has almost the same intensity and the same direction.

図２に示す各像は、反強磁性体の試料を、スピンの向きが同じ原子が、試料の厚さ方向に並ぶように、撮影されたものである。すなわち、図２に示す各像中のカラム（原子カラム）は、スピンの向きが同じ原子が、試料の厚さ方向に並んだ状態を表している。図２に示す各像では、Ｘ方向およびＹ方向に配列した複数のカラムが確認できる。図２に示す各像では、Ｙ方向に隣り合うカラムのスピンの向きは、互いに反対方向であり、Ｘ方向に隣り合うカラムのスピンの向きは、同じ方向である。 Each image shown in FIG. 2 is taken of an antiferromagnetic sample so that atoms having the same spin direction are arranged in the thickness direction of the sample. That is, the column (atomic column) in each image shown in FIG. 2 represents a state in which atoms having the same spin direction are arranged in the thickness direction of the sample. In each image shown in FIG. 2, a plurality of columns arranged in the X direction and the Y direction can be confirmed. In each image shown in FIG. 2, the spin directions of the columns adjacent to each other in the Y direction are opposite to each other, and the spin directions of the columns adjacent to each other in the X direction are the same direction.

図３は、位相像Ｄｘ，Ｄｙの磁場によるコントラストのみを示す図である。図３には、位相像Ｄｘの磁場によるコントラストのみを示す画像Ｃｘ、位相像Ｄｙの磁場によるコントラストのみを示す画像Ｃｙを示している。 FIG. 3 is a diagram showing only the contrast of the phase images Dx and Dy due to the magnetic field. FIG. 3 shows an image Cx showing only the contrast of the phase image Dx due to the magnetic field, and an image Cy showing only the contrast of the phase image Dy due to the magnetic field.

図２に示す位相像Ｄｘには、電場によるコントラストに、図３の画像Ｃｘに示す磁場の
コントラストが重畳されている。しかしながら、図２に示す位相像Ｄｘでは、磁場のコントラストは確認できない。同様に、位相像Ｄｙには、電場によるコントラストに、図３の画像Ｃｙに示す磁場によるコントラストが重畳されているが、図２に示す位相像Ｄｙでは、磁場のコントラストは確認できない。これは、原子分解能像では、一般的に、原子核による電場の影響が非常に強く、スピンによる磁場の影響が小さいためである。 In the phase image Dx shown in FIG. 2, the contrast of the magnetic field shown in the image Cx of FIG. 3 is superimposed on the contrast due to the electric field. However, in the phase image Dx shown in FIG. 2, the contrast of the magnetic field cannot be confirmed. Similarly, in the phase image Dy, the contrast due to the magnetic field shown in the image Cy of FIG. 3 is superimposed on the contrast due to the electric field, but the contrast of the magnetic field cannot be confirmed in the phase image Dy shown in FIG. This is because in the atomic resolution image, the influence of the electric field due to the atomic nucleus is generally very strong, and the influence of the magnetic field due to the spin is small.

（２）電場の周期の解析（Ｓ２０）
次に、電場の周期を求める。ここでは、電場の周期として、格子ベクトルを求める。格子ベクトルは、例えば、ＡＤＦ像ＩＡＤＦをフーリエ変換したときのスポット位置から求めることができる。また、例えば、ＧＰＡ（Geometrical Phase Analysis）などのソフトウエアを用いて、ＡＤＦ像ＩＡＤＦから格子ベクトルを求めることができる。 (2) Analysis of electric field period (S20)
Next, the period of the electric field is calculated. Here, the lattice vector is obtained as the period of the electric field. The lattice vector can be obtained from, for example, the spot position when the ADF image I ADF is Fourier transformed. Further, for example, the lattice vector can be obtained from the ADF image I ADF by using software such as GPA (Geometrical Phase Analysis).

ここで、格子ベクトルを求めるためには、電場および磁場の感度が低く、原子位置を正確に反映しているＡＤＦ像ＩＡＤＦを用いることが望ましい。図２に示す位相像Ｄｘ，ＤｙおよびＡＤＦ像ＩＡＤＦには、互いに直交する格子ベクトルＡおよび格子ベクトルＢを図示している。なお、格子ベクトルを求めるための画像は、ＡＤＦ像ＩＡＤＦに限定されず、例えば、位相像であってもよいし、明視野ＳＴＥＭ像などであってもよい。 Here, in order to obtain the lattice vector, it is desirable to use the ADF image I ADF , which has low sensitivity of electric and magnetic fields and accurately reflects the atomic position. In the phase images Dx, Dy and ADF image I ADF shown in FIG. 2, lattice vectors A and lattice vectors B orthogonal to each other are illustrated. The image for obtaining the lattice vector is not limited to the ADF image I ADF , and may be, for example, a phase image, a bright-field STEM image, or the like.

（３）電磁場の分離（Ｓ３０）および画像の生成（Ｓ４０）
次に、位相像Ｄｘおよび位相像Ｄｙにおいて、複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する。 (3) Separation of electromagnetic field (S30) and image generation (S40)
Next, in the phase image Dx and the phase image Dy, the electromagnetic field of each of the plurality of columns is separated into a magnetic field component and an electric field component.

本工程では、位相像Ｄｘ，Ｄｙ中の観察対象となる任意のカラム（以下「第１カラム」ともいう）の電磁場を、磁場成分が第１カラムと反対方向であり、かつ、電場成分が第１カラムと同じ方向である他のカラム（第２カラム）に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する。 In this step, the electromagnetic field of an arbitrary column (hereinafter, also referred to as “first column”) to be observed in the phase images Dx and Dy has a magnetic field component in the direction opposite to that of the first column and an electric field component of the first column. It separates into a magnetic field component and an electric field component based on another column (second column) in the same direction as one column.

上述したように、位相像Ｄｘ，Ｄｙにおいて、Ｙ方向に隣り合うカラムは、磁場の向きは反対方向であり、電場の向きは同じ方向である。そのため、第１カラムの電場の大きさは、第２カラムの電場の大きさと等しいものと仮定して、第１カラムの電磁場と第２カラムの電磁場の差を計算する。これにより、第１カラムの電場成分が第２カラムの電場成分と打ち消され、第１カラムに第２カラムの磁場成分の差が残る。特に、スピンの磁場の向きが反対の場合は、第１カラムの磁場成分を抽出できる。また、第１カラムの電磁場と第２カラムの電磁場の和を計算することによって、第１カラムの磁場成分が第２カラムの磁場成分と打ち消され、第１カラムの電場成分を抽出できる。 As described above, in the phase images Dx and Dy, the columns adjacent to each other in the Y direction have opposite directions of the magnetic field and the same direction of the electric field. Therefore, assuming that the magnitude of the electric field in the first column is equal to the magnitude of the electric field in the second column, the difference between the electromagnetic field in the first column and the electromagnetic field in the second column is calculated. As a result, the electric field component of the first column is canceled with the electric field component of the second column, and the difference of the magnetic field component of the second column remains in the first column. In particular, when the directions of the magnetic fields of the spins are opposite, the magnetic field components of the first column can be extracted. Further, by calculating the sum of the electromagnetic field of the first column and the electromagnetic field of the second column, the magnetic field component of the first column is canceled with the magnetic field component of the second column, and the electric field component of the first column can be extracted.

ここでは、位相像Ｄｘ，Ｄｙに、Ｙ方向に隣り合うカラムの電磁場との差を計算するカーネル（図４に示すカーネルＫ２）をコンボリューションすることによって、各カラムの電磁場から磁場成分を抽出する。 Here, the magnetic field component is extracted from the electromagnetic field of each column by convolving the phase images Dx and Dy with a kernel (kernel K2 shown in FIG. 4) that calculates the difference between the electromagnetic fields of adjacent columns in the Y direction. ..

図４は、カーネルＫ１とカーネルＫ２を説明するための図である。カーネルＫ１は、Ｘ方向に隣り合うカラムとの電磁場の差を求めるカーネルである。カーネルＫ２は、Ｙ方向に隣り合うカラムとの電磁場の差を求めるカーネルである。 FIG. 4 is a diagram for explaining kernel K1 and kernel K2. The kernel K1 is a kernel for finding the difference in electromagnetic field between columns adjacent to each other in the X direction. The kernel K2 is a kernel for finding the difference in electromagnetic field between columns adjacent to each other in the Y direction.

カーネルＫ１，Ｋ２では、すべての点の合計数をゼロとした。また、カーネルＫ１，Ｋ２では、点と点の間隔は、格子ベクトルの整数倍とした。ここでは、格子ベクトルの１倍とした。 In kernels K1 and K2, the total number of all points was set to zero. Further, in kernels K1 and K2, the distance between points is an integral multiple of the lattice vector. Here, it is set to 1 times the lattice vector.

図５は、位相像Ｄｘに対してコンボリューションを行った結果を示している。図５の画像ＤｘＫ１は、位相像Ｄｘに対して、カーネルＫ１をコンボリューションした結果を示し
ている。図５の画像ＤｘＫ２は、位相像Ｄｘに対して、カーネルＫ２をコンボリューションした結果を示している。 FIG. 5 shows the result of convolution with respect to the phase image Dx. The image Dx K1 of FIG. 5 shows the result of convolving the kernel K1 with respect to the phase image Dx. The image Dx K2 of FIG. 5 shows the result of convolving the kernel K2 with respect to the phase image Dx.

上述したように、強磁性体では、Ｙ方向に隣り合うカラムは、原子核による電場の向きが同じで、スピンによる磁場の向きが反対である。位相像Ｄｘ中の任意のカラム（第１カラム）に対してカーネルＫ２を掛け合わせると、Ｙ方向に隣り合うカラムの電磁場との差、すなわち、第１カラムとは磁場成分が反対方向であり、かつ、電場成分が同じ方向であるカラム（第２カラム）の電磁場との差を計算できる。したがって、第１カラムに対してカーネルＫ２を掛けることで、第１カラムの電場成分が第２カラムの電場成分と打ち消され、磁場成分のみが残る。これにより、第１カラムの電磁場から磁場成分を抽出できる。 As described above, in a ferromagnet, columns adjacent to each other in the Y direction have the same direction of electric field due to atomic nuclei and opposite directions of magnetic field due to spin. When the kernel K2 is multiplied by any column (first column) in the phase image Dx, the difference from the electromagnetic field of the adjacent columns in the Y direction, that is, the magnetic field component is in the opposite direction to the first column. Moreover, the difference from the electromagnetic field of the column (second column) in which the electric field components are in the same direction can be calculated. Therefore, by multiplying the first column by the kernel K2, the electric field component of the first column is canceled with the electric field component of the second column, and only the magnetic field component remains. As a result, the magnetic field component can be extracted from the electromagnetic field of the first column.

このように、位相像Ｄｘに対してカーネルＫ２をコンボリューションすることによって、各カラムの電場成分が打ち消され、各カラムの磁場成分のみが残った画像ＤｘＫ２が得られる。すなわち、画像ＤｘＫ２は、各カラムの磁場の分布を示す画像である。 By convolving the kernel K2 with respect to the phase image Dx in this way, the electric field component of each column is canceled, and the image Dx K2 in which only the magnetic field component of each column remains is obtained. That is, the image Dx K2 is an image showing the distribution of the magnetic field of each column.

画像ＤｘＫ２では、Ｙ方向に隣り合うカラムの磁場において、互いに反対方向を向いている成分が存在することがわかる。 In the image Dx K2 , it can be seen that in the magnetic fields of the columns adjacent to each other in the Y direction, there are components facing in opposite directions.

強磁性体では、Ｘ方向に隣り合うカラムは、原子核による電場の向きが同じで、スピン磁場の向きも同じである。そのため、位相像Ｄｘに対してカーネルＫ１をコンボリューションすることによって、各カラムの電場および磁場が打ち消され、全体が黒い（強度がゼロ）の画像ＤｘＫ１が得られる。 In a ferromagnet, columns adjacent to each other in the X direction have the same direction of the electric field due to the atomic nucleus and the same direction of the spin magnetic field. Therefore, by convolving the kernel K1 with respect to the phase image Dx, the electric and magnetic fields of each column are canceled, and an image Dx K1 having a black color (zero intensity) is obtained.

なお、上記では、Ｙ方向に隣り合うカラムは、原子核による電場の向きが同じで、スピンによる磁場の向きが反対方向であることを利用して、各カラムに対してＹ方向に隣り合うカラムの電磁場の差を求めることで、各カラムの磁場成分を抽出した。これに対して、各カラムに対してＹ方向に隣り合うカラムの電磁場の和を求めることで、各カラムの磁場成分が打ち消され、電場成分を抽出できる。したがって、電場の分布を示す画像を生成できる。 In the above, the columns adjacent to each other in the Y direction have the same direction of the electric field due to the atomic nucleus, and the direction of the magnetic field due to the spin is opposite, so that the columns adjacent to each column in the Y direction are adjacent to each other. By finding the difference in the electromagnetic field, the magnetic field components of each column were extracted. On the other hand, by obtaining the sum of the electromagnetic fields of the columns adjacent to each other in the Y direction for each column, the magnetic field component of each column is canceled and the electric field component can be extracted. Therefore, it is possible to generate an image showing the distribution of the electric field.

以上の工程により、位相像中の各カラムの電磁場を磁場成分と電場成分に分離して、磁場の分布を示す画像および電場の分布を示す画像を生成できる。 By the above steps, the electromagnetic field of each column in the phase image can be separated into a magnetic field component and an electric field component to generate an image showing the distribution of the magnetic field and an image showing the distribution of the electric field.

１．２． 変形例
上記では、観察対象となる第１カラムの磁場成分を、第１カラムの電磁場と第２カラムの電磁場の差を計算することによって抽出したが、第１カラムの磁場成分を抽出する手法はこれに限定されない。 1.2. Modification example In the above, the magnetic field component of the first column to be observed was extracted by calculating the difference between the electromagnetic field of the first column and the electromagnetic field of the second column. Not limited to this.

例えば、第１カラムの近傍の複数のカラムの電磁場から、第１カラムの電場を推定し、第１カラムの磁場成分を抽出することもできる。例えば、第１カラムと＋Ｙ方向に隣り合うカラムの電磁場、第１カラムと－Ｙ方向に隣り合うカラムの電磁場、第１カラムと＋Ｘ方向に隣り合うカラムの電磁場、第１カラムと－Ｘ方向に隣り合うカラムの電磁場に基づいて、第１カラムの電場を推定できる。 For example, the electric field of the first column can be estimated from the electromagnetic fields of a plurality of columns in the vicinity of the first column, and the magnetic field component of the first column can be extracted. For example, the electromagnetic field of the column adjacent to the first column in the + Y direction, the electromagnetic field of the column adjacent to the first column in the −Y direction, the electromagnetic field of the column adjacent to the first column in the + X direction, the electromagnetic field of the first column and the column adjacent to the −X direction. The electric field of the first column can be estimated based on the electromagnetic field of adjacent columns.

ここで、第１カラムと＋Ｙ方向に隣り合うカラム、および第１カラムと－Ｙ方向に隣り合うカラムは、第１カラムと原子核による電場の向きが同じで、かつ、第１カラムとスピンによる磁場の向きが反対であるカラム（第２カラム）である。また、第１カラムと＋Ｘ方向に隣り合うカラム、および第１カラムと－Ｘ方向に隣り合うカラムは、第１カラムと原子核による電場の向きが同じで、かつ、第１カラムとスピンによる磁場の向きも同じカラム（第３カラム）である。そのため、２つの第２カラム（電場の向きが同じで、かつ、
磁場の向きが反対のカラム）と、２つの第３カラム（電場の向きが同じで、かつ、磁場の向きが同じカラム）の平均を計算することで、磁場成分が打ち消され、電場成分の平均を求めることができる。この４つのカラムの電場の平均を、第１カラムの電場と推定する。 Here, the column adjacent to the first column in the + Y direction and the column adjacent to the first column in the −Y direction have the same direction of the electric field due to the nucleus as the first column, and the magnetic field due to the spin of the first column. It is a column (second column) in which the direction of is opposite. Further, in the column adjacent to the first column in the + X direction and the column adjacent to the first column in the −X direction, the direction of the electric field due to the nucleus is the same as that of the first column, and the magnetic field due to the spin is the same as that of the first column. The orientation is also the same column (third column). Therefore, the two second columns (the direction of the electric field is the same and the direction of the electric field is the same, and
By calculating the average of the column (columns with opposite magnetic field directions) and the two third columns (columns with the same electric field direction and the same magnetic field direction), the magnetic field components are canceled out and the average of the electric field components. Can be asked. The average of the electric fields of these four columns is estimated as the electric field of the first column.

ここでは、位相像Ｄｘ，Ｄｙに、Ｘ方向およびＹ方向に隣り合うカラムの電磁場の平均との差を計算するカーネル（図６に示すカーネルＫ３）をコンボリューションすることによって、各カラムの電磁場から磁場成分を抽出する。 Here, by convolving the phase images Dx and Dy with a kernel (kernel K3 shown in FIG. 6) that calculates the difference between the phase images Dx and Dy and the average of the electromagnetic fields of adjacent columns in the X and Y directions, the electromagnetic field of each column is used. Extract the magnetic field component.

図６は、カーネルＫ３を説明するための図である。カーネルＫ３は、Ｘ方向およびＹ方向に隣り合うカラムの電磁場の平均との差を計算するカーネルである。 FIG. 6 is a diagram for explaining kernel K3. Kernel K3 is a kernel that calculates the difference from the average of the electromagnetic fields of adjacent columns in the X and Y directions.

位相像Ｄｘに対して、カーネルＫ３をコンボリューションすることによって、各カラムの電場成分が打ち消されて、図５に示す画像ＤｘＫ２と同様の画像が得られる。すなわち、位相像Ｄｘに対して、カーネルＫ３をコンボリューションすることによって、磁場の分布を示す画像が得られる。 By convolving the kernel K3 with respect to the phase image Dx, the electric field components of each column are canceled, and an image similar to the image Dx K2 shown in FIG. 5 is obtained. That is, by convolving the kernel K3 with respect to the phase image Dx, an image showing the distribution of the magnetic field can be obtained.

ここで、図２に示す位相像Ｄｘでは、電場によるコントラストが完全な周期性を有すると仮定している。しかし、試料の厚さムラなどによって、電場によるコントラストが非周期性を有する場合がある。この場合、カーネルＫ２を用いると、電場によるコントラストの非周期性の影響によって、各カラムの電場成分を完全に打ち消すことができない。 Here, in the phase image Dx shown in FIG. 2, it is assumed that the contrast due to the electric field has perfect periodicity. However, the contrast due to the electric field may have aperiodicity due to uneven thickness of the sample or the like. In this case, when the kernel K2 is used, the electric field component of each column cannot be completely canceled due to the influence of the aperiodicity of the contrast due to the electric field.

これに対して、カーネルＫ３では、カーネルＫ２に比べて、カーネルを構成する点の数が多いため、コントラストの変化が平均化される。これにより、カーネルＫ２を用いた場合と比べて、電場によるコントラストの非周期性の影響を小さくできる。したがって、カーネルＫ３を用いることによって、カーネルＫ２を用いた場合と比べて、電場によるコントラストをより低減できる。 On the other hand, in the kernel K3, since the number of points constituting the kernel is larger than that in the kernel K2, the change in contrast is averaged. As a result, the influence of the aperiodicity of the contrast due to the electric field can be reduced as compared with the case where the kernel K2 is used. Therefore, by using the kernel K3, the contrast due to the electric field can be further reduced as compared with the case where the kernel K2 is used.

図７は、カーネルＫ４を説明するための図である。カーネルＫ４は、カーネルＫ３よりもカーネルを構成する点の数が多い。そのため、カーネルＫ４を用いることによって、カーネルＫ３を用いた場合と比べて、電場によるコントラストをより低減できる。 FIG. 7 is a diagram for explaining kernel K4. Kernel K4 has more points that make up the kernel than kernel K3. Therefore, by using the kernel K4, the contrast due to the electric field can be further reduced as compared with the case where the kernel K3 is used.

２． 画像処理装置
図８は、走査透過電子顕微鏡１の構成を示す図である。 2. 2. Image processing device FIG. 8 is a diagram showing the configuration of a scanning transmission electron microscope 1.

走査透過電子顕微鏡１は、画像処理装置１００と、電子顕微鏡本体２００と、を含む。 The scanning transmission electron microscope 1 includes an image processing device 100 and an electron microscope main body 200.

電子顕微鏡本体２００は、位相像（ＤＰＣ像）を撮影できる。画像処理装置１００は、電子顕微鏡本体２００で撮影された位相像（ＤＰＣ像）から、上述した本実施形態に係る画像処理方法を用いて、磁場の分布を示す画像および電場の分布を示す画像を生成することができる。 The electron microscope main body 200 can capture a phase image (DPC image). The image processing apparatus 100 uses the image processing method according to the present embodiment described above to obtain an image showing the distribution of the magnetic field and an image showing the distribution of the electric field from the phase image (DPC image) taken by the electron microscope main body 200. Can be generated.

電子顕微鏡本体２００は、図８に示すように、電子源１０と、照射レンズ系１１と、走査偏向器１２と、対物レンズ１３と、試料ステージ１４と、中間レンズ１５と、投影レンズ１６と、分割型検出器２０と、を含む。 As shown in FIG. 8, the electron microscope main body 200 includes an electron source 10, an irradiation lens system 11, a scanning deflector 12, an objective lens 13, a sample stage 14, an intermediate lens 15, and a projection lens 16. The split detector 20 and the like are included.

電子源１０は、例えば、電子線ＥＢを発生させる電子銃である。照射レンズ系１１は、電子源１０で発生した電子線ＥＢを収束させる。走査偏向器１２は、電子源１０から放出された電子線ＥＢを偏向させる。これにより、電子線ＥＢで試料上を走査できる。 The electron source 10 is, for example, an electron gun that generates an electron beam EB. The irradiation lens system 11 converges the electron beam EB generated by the electron source 10. The scanning deflector 12 deflects the electron beam EB emitted from the electron source 10. As a result, the electron beam EB can scan the sample.

対物レンズ１３は、電子線ＥＢを試料上に収束させる。また、対物レンズ１３は、試料
を透過した電子を結像する。 The objective lens 13 converges the electron beam EB on the sample. Further, the objective lens 13 forms an image of electrons transmitted through the sample.

試料ステージ１４は、試料を保持する。また、試料ステージ１４は、試料を水平方向や鉛直方向に移動させたり試料を傾斜させたりすることができる。 The sample stage 14 holds the sample. Further, the sample stage 14 can move the sample in the horizontal direction or the vertical direction, or tilt the sample.

中間レンズ１５および投影レンズ１６は、対物レンズ１３で形成された像を分割型検出器２０の検出面２３に投影（結像）する。 The intermediate lens 15 and the projection lens 16 project (image) the image formed by the objective lens 13 on the detection surface 23 of the split type detector 20.

分割型検出器２０は、投影レンズ１６の後方（電子線ＥＢの下流側）に設けられている。分割型検出器２０は、試料を透過した電子を検出する。 The split detector 20 is provided behind the projection lens 16 (downstream of the electron beam EB). The split detector 20 detects electrons that have passed through the sample.

図９は、分割型検出器２０の検出面２３を模式的に示す図である。 FIG. 9 is a diagram schematically showing the detection surface 23 of the split type detector 20.

分割型検出器２０は、図９に示すように、検出面２３が、４つの検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に分割されている。４つの検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、それぞれ独立して電子を検出することができる。試料中の電磁場による電子線ＥＢの偏向は、４つの検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４で検出される信号量から求めることができる。例えば、検出領域Ｄ２で得られたＳＴＥＭ像と検出領域Ｄ４で得られたＳＴＥＭ像の差をとった画像（ＤＰＣ像）から、試料中の電磁場のＸ成分の分布を得ることができる。また、検出領域Ｄ１で得られたＳＴＥＭ像と検出領域Ｄ４で得られたＳＴＥＭ像の差をとった画像（ＤＰＣ像）から、試料中の電磁場のＹ成分の分布を得ることができる。 As shown in FIG. 9, in the split type detector 20, the detection surface 23 is divided into four detection regions D1, D2, D3, and D4. The four detection regions D1, D2, D3, and D4 can independently detect electrons. The deflection of the electron beam EB due to the electromagnetic field in the sample can be obtained from the signal amounts detected in the four detection regions D1, D2, D3, and D4. For example, the distribution of the X component of the electromagnetic field in the sample can be obtained from an image (DPC image) obtained by taking the difference between the STEM image obtained in the detection region D2 and the STEM image obtained in the detection region D4. Further, the distribution of the Y component of the electromagnetic field in the sample can be obtained from the image (DPC image) obtained by taking the difference between the STEM image obtained in the detection region D1 and the STEM image obtained in the detection region D4.

このように、電子顕微鏡本体２００では、分割型検出器２０を用いて、ＤＰＣ像を撮影できる。 In this way, the electron microscope main body 200 can capture a DPC image by using the split type detector 20.

画像処理装置１００は、処理部１１０と、操作部１２０と、表示部１２２と、記憶部１２４と、を含む。 The image processing device 100 includes a processing unit 110, an operation unit 120, a display unit 122, and a storage unit 124.

操作部１２０は、ユーザーによる操作に応じた操作信号を取得し、処理部１１０に送る処理を行う。操作部１２０の機能は、例えば、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどにより実現できる。 The operation unit 120 acquires an operation signal corresponding to the operation by the user and performs a process of sending the operation signal to the processing unit 110. The function of the operation unit 120 can be realized by, for example, a button, a key, a touch panel type display, a microphone, or the like.

表示部１２２は、処理部１１０によって生成された画像を表示する。表示部１２２の機能は、ＬＣＤ、ＣＲＴなどにより実現できる。 The display unit 122 displays the image generated by the processing unit 110. The function of the display unit 122 can be realized by an LCD, a CRT, or the like.

記憶部１２４は、処理部１１０が各種の計算処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。また、記憶部１２４は、処理部１１０のワーク領域としても機能する。記憶部１２４の機能は、ハードディスク、およびＲＡＭ（Random Access Memory）により実現できる。 The storage unit 124 stores programs, data, and the like for the processing unit 110 to perform various calculation processes. The storage unit 124 also functions as a work area of the processing unit 110. The function of the storage unit 124 can be realized by a hard disk and a RAM (Random Access Memory).

処理部１１０は、上述した本実施形態に係る画像処理方法を用いて、電子顕微鏡本体２００で得られたＤＰＣ像（位相像）から、磁場の分布を示す画像および電場の分布を示す画像を生成する処理を行う。処理部１１０の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）などのハードウェアで、プログラムを実行することにより実現できる。処理部１１０は、位相像取得部１１２と、分離処理部１１４と、画像生成部１１６と、を含む。 The processing unit 110 generates an image showing the distribution of the magnetic field and an image showing the distribution of the electric field from the DPC image (phase image) obtained by the electron microscope main body 200 by using the image processing method according to the present embodiment described above. Perform the processing. The function of the processing unit 110 can be realized by executing a program with hardware such as various processors (CPU, DSP, etc.). The processing unit 110 includes a phase image acquisition unit 112, a separation processing unit 114, and an image generation unit 116.

位相像取得部１１２は、電子顕微鏡本体２００から位相像Ｄｘ，Ｄｙを取得する。位相像取得部１１２は、電子顕微鏡本体２００で撮影された位相像Ｄｘ，Ｄｙを取得する。 The phase image acquisition unit 112 acquires phase images Dx and Dy from the electron microscope main body 200. The phase image acquisition unit 112 acquires the phase images Dx and Dy taken by the electron microscope main body 200.

分離処理部１１４は、取得した位相像Ｄｘ，Ｄｙにおいて、複数のカラムの各々の電磁
場を、磁場成分と電場成分に分離する。分離処理部１１４は、例えば、位相像Ｄｘに対して、カーネルＫ２や、カーネルＫ３、カーネルＫ４などをコンボリューションすることによって、磁場成分を抽出する。 The separation processing unit 114 separates the electromagnetic field of each of the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component in the acquired phase images Dx and Dy. The separation processing unit 114 extracts the magnetic field component by convolving the kernel K2, the kernel K3, the kernel K4, or the like with respect to the phase image Dx, for example.

画像生成部１１６は、抽出された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する。画像生成部１１６は、生成した画像を表示部１２２に表示させる。 The image generation unit 116 generates an image showing the distribution of the magnetic field based on the extracted magnetic field component. The image generation unit 116 causes the display unit 122 to display the generated image.

また、分離処理部１１４は、取得した位相像Ｄｘ，Ｄｙにおいて、各カラムの電磁場から電場成分を抽出し、画像生成部１１６は、抽出された電場成分に基づいて、電場の分布を示す画像を生成する。 Further, the separation processing unit 114 extracts an electric field component from the electromagnetic field of each column in the acquired phase images Dx and Dy, and the image generation unit 116 displays an image showing the distribution of the electric field based on the extracted electric field component. Generate.

３． 作用効果
本実施形態に係る画像処理方法では、複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、第１カラムと磁場が反対方向であり、かつ、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する工程を含む。 3. 3. Action effect In the image processing method according to the present embodiment, in the step of separating the electromagnetic field of each of the plurality of columns into the magnetic field component and the electric field component, the electromagnetic field of the first column of the plurality of columns is combined with the first column and the magnetic field. It includes a step of separating a magnetic field component and an electric field component based on the electromagnetic field of the second column which is in the opposite direction and has the same electric field.

そのため、本実施形態に係る画像処理方法では、画像処理によって、位相像中のカラムの電磁場を、磁場成分と電場成分を分離することができる。したがって、本実施形態に係る画像処理方法では、原子レベルの高分解能で、磁場の分布を示す画像を得ることができる。 Therefore, in the image processing method according to the present embodiment, the electromagnetic field of the column in the phase image can be separated from the magnetic field component and the electric field component by the image processing. Therefore, in the image processing method according to the present embodiment, it is possible to obtain an image showing the distribution of the magnetic field with high resolution at the atomic level.

例えば、試料の反転の前後において、同一部位を測定して、磁場成分と電場成分に分離する場合には、原子レベルのずれを生じさせることなく、試料中の同一部位を測定することは困難である。したがって、試料を反転させる手法では、原子レベルの高分解能で磁場の分布を示す画像を得ることができない。これに対して、本実施形態に係る画像処理方法では、画像処理によって、位相像中のカラムの電磁場から磁場成分と電場成分を分離できるため、原子レベルの高分解能で、磁場の分布を示す画像を得ることができる。 For example, when the same part is measured before and after the inversion of the sample and separated into a magnetic field component and an electric field component, it is difficult to measure the same part in the sample without causing an atomic level deviation. be. Therefore, the method of inverting the sample cannot obtain an image showing the distribution of the magnetic field with high resolution at the atomic level. On the other hand, in the image processing method according to the present embodiment, the magnetic field component and the electric field component can be separated from the electromagnetic field of the column in the phase image by the image processing, so that the image showing the distribution of the magnetic field with high resolution at the atomic level. Can be obtained.

本実施形態に係る画像処理方法では、第１カラムの電磁場と第２カラムの電磁場の差に基づいて、第１カラムの磁場成分を抽出する。このように、本実施形態に係る画像処理方法では、位相像から容易に磁場成分を抽出できる。 In the image processing method according to the present embodiment, the magnetic field component of the first column is extracted based on the difference between the electromagnetic field of the first column and the electromagnetic field of the second column. As described above, in the image processing method according to the present embodiment, the magnetic field component can be easily extracted from the phase image.

本実施形態に係る画像処理方法では、分離された電場成分に基づいて、電場の分布を示す画像を生成する工程を含み、複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、第１カラムの電磁場と第２カラムの電磁場の和に基づいて、第１カラムの電場成分を抽出する工程を含む。このように、本実施形態に係る画像処理方法では、位相像から容易に電場成分を抽出できる。 The image processing method according to the present embodiment includes a step of generating an image showing the distribution of the electric field based on the separated electric field components, and a step of separating each electromagnetic field of a plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component. , A step of extracting the electric field component of the first column based on the sum of the electromagnetic field of the first column and the electromagnetic field of the second column. As described above, in the image processing method according to the present embodiment, the electric field component can be easily extracted from the phase image.

本実施形態に係る画像処理方法では、第１カラムの電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程において、第１カラムの電磁場を、第２カラムの電磁場および第３カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離し、第２カラムは、第１カラムと磁場が反対方向であり、かつ、電場が同じ方向であり、第３カラムは、第１カラムと磁場が同じ方向であり、かつ、電場が同じ方向である。このように、本実施形態に係る画像処理方法では、位相像から容易に磁場成分を抽出できる。さらに、例えば、試料の厚さムラなどによって、電場によるコントラストが非周期性を有する場合でも、コントラストの変化が平均化されるため、電場によるコントラストの非周期性の影響を小さくできる。したがって、電場によるコントラストをより低減できる。 In the image processing method according to the present embodiment, in the step of separating the electromagnetic field of the first column into a magnetic field component and an electric field component, the magnetic field of the first column is a magnetic field based on the electromagnetic field of the second column and the electromagnetic field of the third column. Separated into a component and an electric field component, the second column has a magnetic field opposite to that of the first column and the electric field is in the same direction, and the third column has a magnetic field in the same direction as the first column. , The electric field is in the same direction. As described above, in the image processing method according to the present embodiment, the magnetic field component can be easily extracted from the phase image. Further, for example, even when the contrast due to the electric field has aperiodicity due to uneven thickness of the sample, the change in contrast is averaged, so that the influence of the aperiodicity of the contrast due to the electric field can be reduced. Therefore, the contrast due to the electric field can be further reduced.

画像処理装置１００は、複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する位
相像取得部１１２と、位相像において、複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する分離処理部１１４と、分離された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する画像生成部１１６と、を含む。また、画像生成部１１６は、複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、第１カラムと磁場が反対方向であり、かつ、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する処理を行う。そのため、画像処理装置１００では、画像処理によって、位相像中のカラムの電磁場を磁場成分と電場成分を分離することができる。したがって、画像処理装置１００では、原子レベルの高分解能で、磁場の分布を示す画像を得ることができる。 The image processing apparatus 100 has a phase image acquisition unit 112 that acquires a phase image that visualizes the electromagnetic field of each of the plurality of columns, and a separation that separates the electromagnetic field of each of the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component in the phase image. It includes a processing unit 114 and an image generation unit 116 that generates an image showing the distribution of the magnetic field based on the separated magnetic field components. Further, the image generation unit 116 applies a magnetic field to the electromagnetic field of the first column among the plurality of columns based on the electromagnetic field of the second column in which the magnetic field is opposite to that of the first column and the electric field is in the same direction. The process of separating the components and the electric field components is performed. Therefore, in the image processing apparatus 100, the magnetic field component and the electric field component can be separated from the electromagnetic field of the column in the phase image by image processing. Therefore, the image processing apparatus 100 can obtain an image showing the distribution of the magnetic field with high resolution at the atomic level.

４． 実施例
以下に実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 4. Examples The present invention will be described in more detail with reference to Examples below. The present invention is not limited to the following examples.

４．１． 反強磁性体のドメイン境界
まず、本実施形態に係る画像処理方法を、反強磁性体のドメイン境界（domain boundary）の観察に適用した場合について説明する。 4.1. Domain boundary of antiferromagnetic material First, a case where the image processing method according to the present embodiment is applied to the observation of the domain boundary of the antiferromagnetic material will be described.

図１０は、ドメイン境界部の位相像の磁場によるコントラストのみを示す図である。図１０の画像ＣｘはＸ方向の偏向量を示し、図１０の画像ＣｙはＹ方向の偏向量を示している。実際のドメイン境界部の位相像には、図１０に示す磁場によるコントラストに、電場によるコントラストが加わる。そのため、図１０に示す磁場の分布を示す画像Ｃｘ，Ｃｙを直接観察することは難しい。 FIG. 10 is a diagram showing only the contrast of the phase image at the domain boundary due to the magnetic field. The image Cx in FIG. 10 shows the amount of deflection in the X direction, and the image Cy in FIG. 10 shows the amount of deflection in the Y direction. In the phase image of the actual domain boundary portion, the contrast due to the electric field is added to the contrast due to the magnetic field shown in FIG. Therefore, it is difficult to directly observe the images Cx and Cy showing the distribution of the magnetic field shown in FIG.

ここで、図４に示すカーネルＫ２を、図１０に示す画像Ｃｘ，Ｃｙに適用する。すなわち、画像Ｃｘおよび画像Ｃｙに対して、カーネルＫ２をコンボリューションする。 Here, the kernel K2 shown in FIG. 4 is applied to the images Cx and Cy shown in FIG. That is, the kernel K2 is convolved with respect to the image Cx and the image Cy.

図１１は、画像ＣｘにカーネルＫ２を適用した画像ＣｘＫ２、および画像ＣｙにカーネルＫ２を適用した画像ＣｙＫ２を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing an image Cx K2 in which the kernel K2 is applied to the image Cx, and an image Cy K2 in which the kernel K2 is applied to the image Cy.

画像Ｃｘ，ＣｙにカーネルＫ２を適用した場合、図１１に示すように、ドメイン境界部のコントラストが消える。これは、図１０に示す画像Ｃｘ，Ｃｙの磁場の分布と異なるが、ドメイン境界部でスピン構造の変化があることを確認できる。 When kernel K2 is applied to the images Cx and Cy, the contrast at the domain boundary disappears as shown in FIG. This is different from the distribution of the magnetic fields of the images Cx and Cy shown in FIG. 10, but it can be confirmed that there is a change in the spin structure at the domain boundary.

図１２は、カーネルＫ５を説明するための図である。カーネルＫ５は、Ｙ方向に隣り合うカラムとの電磁場の差を求めるカーネルである。なお、カーネルＫ２は、＋Ｙ方向に隣り合うカラムとの差を求めるのに対して、カーネルＫ５では、－Ｙ方向に隣り合うカラムとの差を求める。 FIG. 12 is a diagram for explaining kernel K5. The kernel K5 is a kernel for finding the difference in electromagnetic field between columns adjacent to each other in the Y direction. The kernel K2 obtains the difference from the columns adjacent to each other in the + Y direction, whereas the kernel K5 obtains the difference from the columns adjacent to each other in the −Y direction.

図１２に示すカーネルＫ５を、図１０に示す画像Ｃｘ，Ｃｙに適用する。 The kernel K5 shown in FIG. 12 is applied to the images Cx and Cy shown in FIG.

図１３は、画像ＣｘにカーネルＫ５を適用した画像ＣｘＫ５、および画像ＣｙにカーネルＫ５を適用した画像ＣｙＫ５を示す図である。 FIG. 13 is a diagram showing an image Cx K5 in which the kernel K5 is applied to the image Cx, and an image Cy K5 in which the kernel K5 is applied to the image Cy.

画像Ｃｘ，ＣｙにカーネルＫ５を適用した場合、図１３に示すように、ドメイン境界部のコントラストが消える。図１３に示す画像ＣｘＫ５および画像ＣｙＫ５においてコントラストが消えた部分と、図１３に示す画像ＣｘＫ２および画像ＣｙＫ２においてコントラストが消えた部分とは、位置がずれている。 When kernel K5 is applied to the images Cx and Cy, the contrast at the domain boundary disappears as shown in FIG. The part where the contrast disappears in the image Cx K5 and the image Cy K5 shown in FIG. 13 and the part where the contrast disappears in the image Cx K2 and the image Cy K2 shown in FIG. 13 are out of position.

次に、図４に示すカーネルＫ１を、図１０に示す画像Ｃｘ，Ｃｙに適用する。 Next, the kernel K1 shown in FIG. 4 is applied to the images Cx and Cy shown in FIG.

図１４は、画像ＣｘにカーネルＫ１を適用した画像ＣｘＫ１、および画像ＣｙにカーネルＫ１を適用した画像ＣｙＫ１を示す図である。 FIG. 14 is a diagram showing an image Cx K1 to which the kernel K1 is applied to the image Cx and an image Cy K1 to which the kernel K1 is applied to the image Cy.

画像Ｃｘ，ＣｙにカーネルＫ１を適用した場合、図１４に示すように、コントラストが消える。 When kernel K1 is applied to the images Cx and Cy, the contrast disappears as shown in FIG.

図１１に示す画像ＣｘＫ２および画像ＣｙＫ２、図１３に示す画像ＣｘＫ５および画像ＣｙＫ５、図１４に示す画像ＣｘＫ１および画像ＣｙＫ１から、ドメイン境界部の存在と、ドメイン境界部の位置を推定することができる。なお、上記では、画像Ｃｘ，Ｃｙに各カーネルを適用したが、実際の位相像に各カーネルを適用しても同様の結果が得られる。 From the images Cx K2 and Cy K2 shown in FIG. 11, the images Cx K5 and Cy K5 shown in FIG. 13, and the images Cx K1 and Cy K1 shown in FIG. 14, the existence of the domain boundary portion and the position of the domain boundary portion are shown. Can be estimated. In the above, each kernel is applied to the images Cx and Cy, but the same result can be obtained by applying each kernel to the actual phase image.

本実施形態に係る画像処理方法によれば、ＤＰＣ法で得られたドメイン境界部の位相像から磁場の分布の情報を得ることができ、ドメイン境界部の存在とその位置を推定できる。 According to the image processing method according to the present embodiment, information on the distribution of the magnetic field can be obtained from the phase image of the domain boundary portion obtained by the DPC method, and the existence and position of the domain boundary can be estimated.

４．２． らせん磁性体
次に、本実施形態に係る画像処理方法を、らせん磁性体の観察に適用した場合について説明する。 4.2. Spiral magnetic material Next, a case where the image processing method according to the present embodiment is applied to the observation of the spiral magnetic material will be described.

図１５は、らせん磁性体の位相像の磁場によるコントラストのみを示す図である。図１５の画像Ｃｘは、Ｘ方向の偏向量を示し、画像ＣｙはＹ方向の偏向量を示している。 FIG. 15 is a diagram showing only the contrast of the phase image of the spiral magnetic material due to the magnetic field. The image Cx in FIG. 15 shows the amount of deflection in the X direction, and the image Cy shows the amount of deflection in the Y direction.

図１５に示すように、らせん磁性体では、スピンの向きが場所に依存して回転している。実際のらせん磁性体のＤＰＣ像では、図１５に示す磁場によるコントラストに、電場によるコントラストが加わる。そのため、図１５に示す磁場の分布を示す画像Ｃｘ，Ｃｙを直接観察することは難しい。 As shown in FIG. 15, in the spiral magnetic material, the spin direction rotates depending on the location. In the actual DPC image of the spiral magnetic material, the contrast due to the electric field is added to the contrast due to the magnetic field shown in FIG. Therefore, it is difficult to directly observe the images Cx and Cy showing the distribution of the magnetic field shown in FIG.

ここで、図４に示すカーネルＫ２を、図１５に示す画像Ｃｘ，Ｃｙに適用する。すなわち、画像Ｃｘおよび画像Ｃｙに対して、カーネルＫ２をコンボリューションする。 Here, the kernel K2 shown in FIG. 4 is applied to the images Cx and Cy shown in FIG. That is, the kernel K2 is convolved with respect to the image Cx and the image Cy.

図１６は、図１５に示す画像ＣｘにカーネルＫ２を適用した画像ＣｘＫ２、および図１５に示す画像ＣｙにカーネルＫ２を適用した画像ＣｙＫ２を示す図である。 FIG. 16 is a diagram showing an image Cx K2 in which the kernel K2 is applied to the image Cx shown in FIG. 15 and an image Cy K2 in which the kernel K2 is applied to the image Cy shown in FIG.

図１６に示す画像ＣｘＫ２および画像ＣｙＫ２は、図１５の画像Ｃｘおよび画像Ｃｙで示す磁場の分布そのものとは異なるが、磁場の分布を反映しており、磁場の分布の情報を得ることができる。上述したドメイン境界の例のように、複数のカーネルを適用した結果を得ることで、らせん磁性体の磁場の分布をより正確に推定することができる。 The image Cx K2 and the image Cy K2 shown in FIG. 16 are different from the magnetic field distribution itself shown in the image Cx and the image Cy of FIG. 15, but reflect the magnetic field distribution, and information on the magnetic field distribution can be obtained. can. As in the case of the domain boundary example described above, the distribution of the magnetic field of the spiral magnetic material can be estimated more accurately by obtaining the result of applying multiple kernels.

このように、本実施形態に係る画像処理方法では、強磁性体の例のように、第１カラムの電磁場を、第１カラムと磁場が反対方向であり、かつ、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場の分布を示す画像を得る場合だけでなく、らせん磁性体の例のように、第１カラムの電磁場を、第１カラムと磁場が異なる方向であり、かつ、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて磁場の分布を示す画像を得る場合にも適用できる。 As described above, in the image processing method according to the present embodiment, as in the example of the ferromagnetic material, the magnetic field of the first column is in the opposite direction to the magnetic field of the first column, and the electric field is in the same direction. Not only when obtaining an image showing the distribution of the magnetic field based on the electromagnetic field of two columns, but also when the electromagnetic field of the first column is in a direction different from that of the first column and the magnetic field is different from that of the first column, as in the example of a spiral magnetic material, and It can also be applied to obtain an image showing the distribution of the magnetic field based on the electromagnetic field of the second column in which the electric field is in the same direction.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する
構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. For example, the present invention includes substantially the same configuration as that described in the embodiments. Substantially the same configuration is, for example, a configuration having the same function, method, and result, or a configuration having the same purpose and effect. The present invention also includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. Further, the present invention includes a configuration having the same action and effect as the configuration described in the embodiment or a configuration capable of achieving the same object. Further, the present invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

１…走査透過電子顕微鏡、１０…電子源、１１…照射レンズ系、１２…走査偏向器、１３…対物レンズ、１４…試料ステージ、１５…中間レンズ、１６…投影レンズ、２０…分割型検出器、２３…検出面、１００…画像処理装置、１１０…処理部、１１２…位相像取得部、１１４…分離処理部、１１６…画像生成部、１２０…操作部、１２２…表示部、１２４…記憶部、２００…電子顕微鏡本体 1 ... Scanning transmission electron microscope, 10 ... Electron source, 11 ... Irradiation lens system, 12 ... Scanning deflector, 13 ... Objective lens, 14 ... Sample stage, 15 ... Intermediate lens, 16 ... Projection lens, 20 ... Split detector 23 ... Detection surface, 100 ... Image processing device, 110 ... Processing unit, 112 ... Phase image acquisition unit, 114 ... Separation processing unit, 116 ... Image generation unit, 120 ... Operation unit, 122 ... Display unit, 124 ... Storage unit , 200 ... Electron microscope body

Claims (10)

複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する工程と、
前記位相像において、前記複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する工程と、
分離された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する工程と、
を含み、
前記複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、
前記複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する工程を含む、画像処理方法。 The process of acquiring a phase image that visualizes the electromagnetic field of each of multiple columns, and
In the phase image, a step of separating the electromagnetic field of each of the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component, and
The process of generating an image showing the distribution of the magnetic field based on the separated magnetic field components,
Including
The step of separating the electromagnetic field of each of the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component is
An image processing method comprising a step of separating an electromagnetic field of the first column among the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component based on the electromagnetic field of the second column in which the electric field is in the same direction. 請求項１において、
前記位相像は、試料中の電磁場によって電子線が受ける位相変化を可視化した像である、画像処理方法。 In claim 1,
The phase image is an image processing method that visualizes a phase change received by an electron beam due to an electromagnetic field in a sample. 請求項１または２において、
前記第１カラムの電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程では、
前記第１カラムの電磁場と前記第２カラムの電磁場の差に基づいて、前記第１カラムの磁場成分を抽出する、画像処理方法。 In claim 1 or 2,
In the step of separating the electromagnetic field of the first column into a magnetic field component and an electric field component,
An image processing method for extracting a magnetic field component of the first column based on the difference between the electromagnetic field of the first column and the electromagnetic field of the second column. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
分離された電場成分に基づいて、電場の分布を示す画像を生成する工程を含み、
前記複数のカラムの各々の電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程は、
前記第１カラムの電磁場と前記第２カラムの電磁場の和に基づいて、前記第１カラムの電場成分を抽出する工程を含む、画像処理方法。 In any one of claims 1 to 3,
Including the step of generating an image showing the distribution of the electric field based on the separated electric field components.
The step of separating the electromagnetic field of each of the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component is
An image processing method comprising a step of extracting an electric field component of the first column based on the sum of the electromagnetic field of the first column and the electromagnetic field of the second column. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記第２カラムは、前記第１カラムと磁場が異なる方向である、画像処理方法。 In any one of claims 1 to 4,
The second column is an image processing method in which the magnetic field is in a direction different from that of the first column. 請求項５において、
前記第２カラムは、前記第１カラムと磁場が反対方向である、画像処理方法。 In claim 5,
The second column is an image processing method in which the magnetic field is opposite to that of the first column. 請求項１または２において、
前記第１カラムの電磁場を磁場成分と電場成分に分離する工程では、
前記第１カラムの電磁場を、前記第２カラムの電磁場および第３カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離し、
前記第２カラムは、前記第１カラムと磁場が反対方向であり、かつ、電場が同じ方向であり、
前記第３カラムは、前記第１カラムと磁場が同じ方向であり、かつ、電場が同じ方向である、画像処理方法。 In claim 1 or 2,
In the step of separating the electromagnetic field of the first column into a magnetic field component and an electric field component,
The electromagnetic field of the first column is separated into a magnetic field component and an electric field component based on the electromagnetic field of the second column and the electromagnetic field of the third column.
The second column has a magnetic field opposite to that of the first column and an electric field in the same direction.
The third column is an image processing method in which the magnetic field is in the same direction as that of the first column and the electric field is in the same direction. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
前記位相像は、反強磁性体の位相像である、画像処理方法。 In any one of claims 1 to 7,
The image processing method, wherein the phase image is a phase image of an antiferromagnetic material. 請求項８において、
前記第２カラムは、前記第１カラムに隣り合い、
前記第２カラムのスピンの向きは、前記第１カラムのスピンの向きと反対方向である、画像処理方法。 In claim 8,
The second column is adjacent to the first column.
An image processing method in which the spin direction of the second column is opposite to the spin direction of the first column. 複数のカラムの各々の電磁場を可視化した位相像を取得する位相像取得部と、
前記位相像において、前記複数のカラムの各々の電磁場を、磁場成分と電場成分に分離する分離処理部と、
分離された磁場成分に基づいて、磁場の分布を示す画像を生成する画像生成部と、
を含み、
前記画像生成部は、
前記複数のカラムのうちの第１カラムの電磁場を、電場が同じ方向である第２カラムの電磁場に基づいて、磁場成分と電場成分に分離する処理を行う、画像処理装置。 A phase image acquisition unit that acquires a phase image that visualizes the electromagnetic fields of each of multiple columns,
In the phase image, a separation processing unit that separates the electromagnetic field of each of the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component,
An image generator that generates an image showing the distribution of the magnetic field based on the separated magnetic field components.
Including
The image generation unit
An image processing apparatus that separates the electromagnetic field of the first column among the plurality of columns into a magnetic field component and an electric field component based on the electromagnetic field of the second column in which the electric field is in the same direction.
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